智能樓宇照明燈控系統的研究與設計

劉榮市 張今朝 戴婷 苑大龍

摘? 要：針對國內樓宇的傳統照明系統控制及功能單一造成電能浪費等問題，提出了一種基于物聯網的個性化智能照明控制系統，通過各照明環境需求分析進行自動控制，提供舒適的智能照明環境，同時也滿足了個性化照明需求。

關鍵詞：STM32 WiFi;物聯網;照明燈控

中圖分類號：TU855? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）16-0098-03

Abstract： Aiming at the problems of traditional lighting system control and power waste caused by single function in domestic buildings， this paper puts forward a personalized intelligent lighting control system based on the Internet of things， which can be automatically controlled by the analysis of the needs of each lighting environment，so as to provide a comfortable intelligent lighting environment and meet the needs of personalized lighting.

Keywords： STM32WiFi; Internet of things; lighting control

引言

隨著現代電子技術以及經濟的發展，人們更加追求科幻電影般的情景式生活享受，對各類智能設備的需求也越來越大。其中智能照明系統與人們的生活辦公息息相關，而不同人群對照明環境也有個性化的需求。其中包括年輕人對燈光色彩變幻的追求，也有老幼人群對光照強度以及安全報警的功能需求，也有對殘障人士便捷地控制開關方式的需求等等。為了更科學可靠地滿足人們對美好生活辦公的需求，本文將物聯網技術融入樓宇照明系統，通過對傳統照明系統的分析，結合現代樓宇的功能區域結構，以STM32F103作為MCU，利用ESP8266進行WiFi聯網，同時配合各類傳感器和LED驅動電路，實現對樓宇內走廊、電梯、辦公室、衛生間等環境的遠程控制。

1 系統總體設計方案

該智能照明系統的設計主要分為硬件和軟件兩部分。硬件部分設計包括STM32F103ZET6單片機的外圍電路，其中包括驅動電源電路、系統復位電路、程序下載電路、晶振電路、WiFi模塊數據傳輸接口以及其他相關接口以及相關的傳感器、WiFi模塊與STM32連接電路設計[1];軟件部分設計包括STM32單片機代碼編寫、機智云平臺提供的相關代碼的編寫以及Android手機APP的代碼編寫。系統的設計框圖如圖1所示。

由圖1可知，該智能照明系統采用各類環境傳感器、LED燈和驅動芯片作為感知層負責數據的采集和命令的執行。將WiFi模塊和路由器等通信設備作為網絡層，搭建智能照明系統的無線傳輸端，并與云平臺連接，完成數據傳輸;再由機智云平臺作為平臺層，主要對硬件平臺發來的數據進行處理，包括電壓信息的存儲、比較以及預警等功能;終端層則是由智能手機端或PC端進行監視與控制功能。通過以上設計使照明系統更加人性化、智能化，能夠滿足未來智能照明的要求[2-3]。

2 系統硬件電路設計

本設計中使用STM32F103ZET6為主控核心板如圖2所示，并配合WiFi模塊、溫濕度傳感器模塊、LED燈以及電源模塊。LED燈組端采用STM32F103單片機為核心處理單元，并通過各類傳感器和LED驅動控制，實現辦公室、電梯間、走廊等環境的基礎照明功能。

2.1 WiFi模塊

在樓宇智能照明系統中，為了解決硬件與軟件的通信，將各個燈組傳感器所采集的信息上傳至服務器，故選用了ESP8266WiFi模塊。ESP8266模塊是一款串口轉無線模芯片，內部自帶固件，用戶操作簡單，無需編寫時序信號等。這款芯片使用了3.3V的直流電源，體積小，功耗低，支持透傳，丟包現象不嚴重，而且價格超低。

本設計中采用ESP8266-01系列和STM32的串口進行通信，將通過網絡采集到的數據，經過串行口發送給STM32單片機，進行進一步的處理。同時終端設備通過WiFi模塊接入云端，其中TXD和RXD引腳分別是WiFi模塊的數據發送端和數據接收端，它與STM32F103單片機的串口RXD和TXD相連，為遠程控制提供了可能。其電路原理圖如圖3所示。

2.2 傳感檢測電路

系統主要用到光強檢測模塊和溫濕度檢測模塊。其中光線檢測電路的工作原理是利用半導體光敏材料的光量子作用，當受到一定波長的光線照射時，光敏電阻的阻值會發生改變，從而實現光電轉換。該模塊有三個引腳，分別是VCC、GND和信號輸出端。每個光電傳感器的信號輸出引腳分別連到STM32單片機的一個GPIO端口上。STM32單片機通過讀取ADC端口的電壓值，判斷周圍環境亮度情況。光線檢測電路圖如圖4所示。而DHT11是一款有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器。其精度濕度+-5%RH，溫度+-2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0～50℃。其原理圖如圖4、5所示[4-5]。

3 系統軟件設計

在Android studio軟件開發平臺上編寫一個名為“智能樓宇照明”的手機APP。此APP是基于機智云安卓開源框架開發的一個簡易的智能樓宇照明系統，功能有：燈的控制、溫濕度的讀取、光強檢測讀取等功能。使用的芯片ESP8266，使用的開發平臺是機智云開發平臺。

3.1 機智云平臺

系統采用機智云開發平臺，由ESP8266模塊與云服務器創建連接，每個區域通過微控制器處理LED的開關信息、傳感檢測數據傳輸，最后發送至后臺進行儲存并將信息通過智能終端設備顯示在用戶面前，用戶也可以向網絡向服務器發送控制指令實現完善的人機交互。

其中機智云是廣州杰升信息科技有限公司旗下品牌。主要為開發者提供物聯網設備的自助開發工具、后臺技術支持服務、設備遠程操控管理、數據存儲分析、第三方數據整合、硬件社交化等技術服務，也為智能硬件廠家提供一站式物聯網開發和運維服務，將智能硬件產品開發周期最快縮短到半天，快速實現智能化。智能照明系統可以通過該平臺實現公共網絡通信，不但有強大的數據處理功能，還不占用本地資源，可以對以往上傳的數據進行查找和分析。用戶可以通過智能終端對云平臺進行監測和控制。用戶加入機智云平臺，進入開發者中心便可創建一個項目，云平臺創建數據點界面如圖6所示[6]。

3.2 客戶端開發

首先將搭建Android環境，利用AndroidStudio開發工具導入網站內提供Android框架，使用設備接入SDK解決因為gradle版本而出現的報錯問題，可以使得開發者快速完成APP開發，可忽略相對復雜的協議與錯誤處理等事項。再通過利用安卓基本軟件，進行頁面的邏輯修改，最后填寫App ID與App Secret時APP和機智云云端綁定，利用控件進行自定義的UI控制，最終實現監控界面如圖7所示。

4 結論

隨著信息領域技術的發展，國家大力推進加快5G網絡，數據中心等新型基礎設施建設進度，“新基建”正在成為共識，智能照明系統作為公共樓宇的一種非接觸經濟智能產品，將成為未來工作和生活的常態需求，而物聯網技術的發展和智能終端的普及，為智能生態圈提供了技術保障。而智能樓宇照明系統也在數據中心的平臺下通過自動化、通信、信息技術手段為“新基建”提供安全、高效、便捷和節能的解決思路。

參考文獻：

[1]樊龍.基于STM32的智能儀表數據采集系統的設計[D].太原理工大學，2014.

[2]莫淳棟，唐佳林，尹小龍，等.基于STM32智能電表系統的設計與實現[J].中國西部科技，2015，14（12）：50-52，49.

[3]顧亞文.基于MQTT協議的通用智能家居系統設計與實現[D].西安電子科技大學，2014.

[4]王斌.智能樓宇照明控制系統的設計與實現[J].建筑工程技術與設計，2017（33）：2080-2080.

[5]宋聯舫.關于智能樓宇照明控制系統的設計研究[J].科學與信息化，2019（29）：14，20.

[6]黃焱.基于微信和機智云平臺的智能家居控制[D].華中師范大學，2018.